(57)【要約】【課題】素子分離構造の直下に選択的に不純物層を形成することができる半導体装置の製造方法を得る。【解決手段】半導体装置１０の製造方法は、シリコン酸化膜１８、シリコン窒化膜２０が形成されたＰ型シリコン基板１４にトレンチ２６を形成する工程と、等方性サイドエッチングによりトレンチ２６を素子領域Ａｅ１、Ａｅ２側に広げてトレンチ１６にする工程と、シリコン酸化膜１８、シリコン窒化膜２０に形成された開口部２４を通じて不純物イオンを注入することで、トレンチ１６の底部１６Ａの中央部に選択的にチャネルストッパ層１５を形成する工程と、トレンチ１６をＮＳＧ３２で埋めると共に平滑化し、シリコン酸化膜１８、シリコン窒化膜２０を除去する工程とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子領域と素子分離領域とが設定された半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、
前記シリコン窒化膜上に、前記素子分離領域の中央に開口部を有するレジストマスクを形成する工程と、
前記レジストマスクをマスクとして、前記シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、及び前記半導体基板をエッチングして、前記素子分離領域の中央に素子分離溝を形成する工程と、
前記レジストマスクをマスクとして前記半導体基板を選択的にサイドエッチングすることで、前記素子分離溝を前記素子領域側に広げる工程と、
前記素子領域側に広げられた前記素子分離溝の内面にシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記半導体基板上の前記シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の開口部分を通じて不純物イオン注入を行い、内面にシリコン酸化膜が形成された前記素子分離溝の底にチャネルストッパ層を形成する工程と、
前記チャネルストッパ層が形成された後に、前記素子分離溝に絶縁材料を埋め込む工程と、
前記絶縁材料を平滑化する工程と、
前記素子分離溝に埋め込まれた前記絶縁材料が平滑化された後に、前記半導体基板上の前記シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を除去する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、素子分離構造を有する半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
底部にチャネルストッパが形成された素子分離溝をポリシリコンで埋め込む素子分離溝アイソレーション（素子分離）構造を有する半導体装置の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。この製造方法では、溝底側で薄く溝壁側で厚く形成された常圧ＣＶＤ酸化シリコン膜を素子分離溝内に形成した状態でイオン注入を行いチャネルストッパを形成することで、チャネルストッパが素子分離溝の底面以外に広がるのを防ぐようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２８３５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の如き従来の技術では、製造過程で厚肉の常圧ＣＶＤ酸化シリコン膜を素子分離の側壁に形成する必要があり、イオンの注入範囲を規制し得る他の製造方法が望まれている。
【０００５】
本発明は、素子分離構造の直下に選択的に不純物層を形成することができる半導体装置の製造方法を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明に係る半導体装置の製造方法は、素子領域と素子分離領域とが設定された半導体基板を準備する工程と、前記半導体基板上にシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、前記シリコン窒化膜上に、前記素子分離領域の中央に開口部を有するレジストマスクを形成する工程と、前記レジストマスクをマスクとして、前記シリコン窒化膜、シリコン酸化膜、及び前記半導体基板をエッチングして、前記素子分離領域の中央に素子分離溝を形成する工程と、前記レジストマスクをマスクとして前記半導体基板を選択的にサイドエッチングすることで、前記素子分離溝を前記素子領域側に広げる工程と、前記素子領域側に広げられた前記素子分離溝の内面にシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の開口部分を通じて不純物イオンを注入して、内面にシリコン酸化膜が形成された前記素子分離溝の底にチャネルストッパ層を形成する工程と、前記チャネルストッパ層が形成された後に、前記素子分離溝に絶縁材料を埋め込む工程と、前記絶縁材料を平滑化する工程と、前記素子分離溝に埋め込まれた前記絶縁材料が平滑化された後に、前記シリコン酸化膜及びシリコン窒化膜を除去する工程と、を含んでいる。
【０００７】
請求項１記載の半導体装置の製造方法では、半導体基板上にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、レジストマスクをこの順で形成し、このレジストマスクをマスクとしてシリコン窒化膜、シリコン酸化膜、半導体基板をエッチングすることで、レジストマスクの開口部すなわち素子分離領域の中央部において開口する素子分離溝を形成する。さらに、レジストマスクをマスクとして、半導体基板を選択的にサイドエッチングすることで、素子分離溝を素子領域側に広げる。これにより、素子分離溝は開口部に下方にまで広がり、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜における開口部分の周囲部が庇状を成して素子分離溝の側壁部分を上方から覆うこととなる。さらに、素子領域側に広げられた素子分離溝の内面にシリコン酸化膜を形成した後、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜の開口部分を通じて不純物イオンを注入すると、素子分離溝の底部にチャネルストッパ層が形成される。その後、素子分離溝に絶縁材料を埋め込むと共に該絶縁材料を平滑化し、シリコン窒化膜及びシリコン酸化膜を除去することで、半導体装置における素子分離構造が完成する。
【０００８】
ここで、本半導体装置の製造方法では、上記の通り開口部廻りのシリコン窒化膜及びシリコン酸化膜が庇状に素子分離溝を覆う状態で不純物イオンを注入するので、素子分離溝内面における庇状のシリコン酸化膜及びシリコン窒化膜の下方に位置する部分（覆われた部分）にはイオンが注入され難い。このため、本半導体装置の製造方法では、素子分離溝底の中央部すなわち素子分離構造の直下に選択的に不純物層を形成することができる。
【０００９】
このように、請求項１記載の半導体装置の製造方法では、素子分離構造の直下に選択的に不純物層を形成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように本発明に係る半導体装置の製造方法では、素子分離構造の直下に選択的に不純物層を形成することができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す図であって、（Ａ）はシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、及びレジストマスクを成形する工程を示す断面図、（Ｂ）はトレンチ形成工程を示す断面図、（Ｃ）はトレンチ拡大工程を示す断面図、（Ｄ）は酸化膜形成工程を示す断面図、（Ｅ）はイオン注入工程を示す断面図、（Ｆ）は埋め込み工程を示す断面図、（Ｇ）は平滑化工程を示す断面図、（Ｈ）は絶縁膜除去工程を示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法によって製造された半導体装置の要部を拡大して示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態との比較例に係る半導体装置の製造方法の各工程（Ａ）〜（Ｃ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法によって製造される半導体装置１０について、図１及び図２に基づいて説明する。
【００１３】
図２には、半導体装置１０の概略構成が断面図にて示されている。この図に示される如く、半導体装置１０は、図示しない高耐圧トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）が形成される素子領域Ａｅ１と他の素子（トランジスタ等）が形成される素子領域Ａｅ２との間に配置された素子分離領域Ａｓに、素子分離構造１２が形成されて構成されている。素子分離構造１２は、半導体基板としてのＰ型シリコン基板１４に形成されたトレンチ１６の底部に不純物層としてのチャネルストッパ層１５が形成されると共に、該トレンチ１６が絶縁材料としてのＮＳＧ（Ｎｏｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ  Ｇｌａｓｓ）３２にて埋められて構成されている。
【００１４】
以下、半導体装置１０、特に素子分離構造１２の製造方法について、図１に基づいて説明する。図１（Ａ）に示される如く、Ｐ型シリコン基板１４上に、第１絶縁膜である熱酸化膜としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）１８、第２絶縁膜であるシリコン窒化膜（ＳｉＮ）２０をこの順で形成する。
【００１５】
具体的には、例えば、９００℃以上の温度で、ドライ酸素による熱酸化法すなわち高温ドライ酸化法を用いて、略２０ｎｍの膜厚のシリコン酸化膜１８を形成する（シリコン酸化膜形成工程）。次いで、シリコン酸化膜１８上に、例えば、ジクロロシラン（ＳｉＨ２Ｃｌ２２）ガスを主体ガスとするＬＰ−ＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法（生成温度は７００℃）を用いて、略１５０ｎｍの膜厚のシリコン窒化膜２０を形成する（シリコン窒化膜形成工程）。なお、シリコン酸化膜１８は、Ｐ型シリコン基板１４とシリコン窒化膜２０との間の応力を緩和させる機能を果たし、シリコン窒化膜２０は、後工程での平坦化工程におけるストッパ膜としての機能を果たすようになっている。
【００１６】
次いで、シリコン窒化膜１４上全面に亘って、ＣＶＤ法を用いてレジスト膜を膜厚２００ｎｍで形成した後、レジスト膜に対してホトリソグラフィ技術を用いて、Ｐ型シリコン基板１４に対するトレンチ形成用の開口部２２Ａが素子分離領域Ａｓの略中央部に形成されたレジストマスク２２にパターニングする（レジストマスク形成工程）。これにより、図１（Ａ）に示される如く、Ｐ型シリコン基板１４、シリコン酸化膜１８、シリコン窒化膜２０、レジストマスク２２が下からこの順で積層された状態とされる。
【００１７】
次いで、トレンチ形成工程として、レジストマスク２２を用いてドライエッチングを行い、図１（Ｂ）に示される如く、シリコン窒化膜２０、シリコン酸化膜１８及びＰ型シリコン基板１４をエッチングすることで、Ｐ型シリコン基板１４に素子分離溝としてのトレンチ２６を形成する。トレンチ２６の深さは、例えば略６００ｎｍとされる。以下の説明では、Ｐ型シリコン基板１４のトレンチ２６とレジストマスク２２の開口部２２Ａとを連通するシリコン窒化膜２０、シリコン酸化膜１８の開口部を、開口部２４ということとする。なお、このトレンチ形成工程として、例えば、先ずＣＦ系ガスを主体としたガスを用いてシリコン窒化膜２０及びシリコン酸化膜１８をエッチングした後、ハロゲン系ガスを主体としたガスを用いてＰ型シリコン基板１４をエッチングすることができる。
【００１８】
さらに、トレンチ拡大工程として、レジストマスク２２をマスクとすると共に、例えばラジカルエッチング方を用いて、等方性サイドエッチングを行う。この際、シリコン酸化膜１８、シリコン窒化膜２０に対するＰ型シリコン基板１４のエッチング選択比を例えば１：５０〜１００とする。これにより、Ｐ型シリコン基板１４が選択的にエッチングされ、開口部２４を殆ど広げることなく、トレンチ２６に対して素子領域Ａｅ１、Ａｅ２側に広げられたトレンチ１６を得ることができる。この実施形態では、Ｐ型シリコン基板１４とシリコン酸化膜１８及びシリコン窒化膜２０とでは、図１（Ｃ）に示すＤだけエッチング量が異なることで、開口部２４に対し相対的に広いトレンチ１６が形成される。なお、例えばハロゲン系ガスを主体としたガスを用いることで、上記の如くＰ型シリコン基板１４のエッチング選択比を高くすることができる。
【００１９】
以上により、図１（Ｃ）に示される如く、シリコン窒化膜２０及びシリコン酸化膜１８における開口部２４廻りの部分がトレンチ１６の中央部を除く一部を上方から覆う庇状を成す構造（以下、庇部２８という）が得られる。換言すれば、庇部２８は、トレンチ１６の底部１６Ａの中央部に対する溝壁１６Ｂ側の一部、及び溝壁１６Ｂを上方から覆っているものと捉えることができる。また、以上説明した如くトレンチ１６を形成した後、レジストマスク２２を除去する。
【００２０】
次いで、酸化膜形成工程として、トレンチ１６の溝壁１６Ｂを熱酸化して、図１（Ｄ）に示される如く、シリコン酸化膜である熱酸化膜３０を形成する。この工程では、例えば、８００℃以上の温度で、ドライ酸素による熱酸化法を用いて、トレンチ１６の底部１６Ａ及び溝壁１６Ｂに略１５ｎｍの膜厚の熱酸化膜３０を形成する。
【００２１】
次いで、イオン注入工程（チャネルストッパ形成工程）として、図１（Ｅ）に示される如く、開口部２４を通じてトレンチ１６内にＰ型不純物（例えばボロン）のイオンを照射する。これにより、トレンチ１６の底部１６Ａにおける開口部２４の直下部分にＰ型不純物イオンが注入され、該部分に不純物層としてのチャネルストッパ層１５が形成される。この際、トレンチ１６の溝壁１６Ｂ及び底部１６Ａにおける庇部２８にて覆われた部分にはＰ型不純物イオンが注入されず、チャネルストッパ層１５は、トレンチ１６の底部１６Ａの中央部に選択的に形成される。具体的には、チャネルストッパ層１５は、トレンチ１６の底部１６Ａに対し、図１（Ｅ）に示される如く素子領域Ａｅ１、Ａｅ２側の端部までの距離Ｌだけオフセットして形成されている。
【００２２】
次いで、埋め込み工程として、図１（Ｆ）に示される如く、トレンチ１６内に絶縁材料としてのＮＳＧ３２を埋め込む。例えば、ＨＤＰ−ＣＶＤ（Ｈｉｇｈ Ｄｅｎｓｉｔｙ Ｐｌａｓｍａ−ＣＶＤ）法を用いて、トレンチ１６内を絶縁材料としてのＮＳＧ３２で埋める。次いで、平滑化工程として、例えば化学的機械研磨法（ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法）を用いて、図１（Ｇ）に示される如くＮＳＧ３２を平滑化する。次いで、絶縁膜除去工程として、例えばウェットエッチング等を用いて、図１（Ｈ）に示される如く、シリコン酸化膜１８及びシリコン窒化膜２０を除去する。
【００２３】
以上により、図２に示される如く、底部１６Ａにチャネルストッパ層１５が形成されたトレンチ１６がシリコン酸化膜１８にて埋められた構造の素子分離構造１２の製造が完了する。すなわち、素子領域Ａｅ１と素子領域Ａｅ２との間に配置された素子分離領域Ａｓに、素子分離構造１２が形成された半導体装置１０が製造される。
【００２４】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００２５】
上記の如く製造された素子分離構造１２を有する半導体装置１０は、高耐圧トランジスタが９〜１００Ｖの高いゲート電圧で使用されることに起因してＡｅ１に寄生トランジスタが形成された場合でも、トレンチ１６の底部１６Ａに形成されたチャネルストッパ層１５によって、寄生トランジスタの動作が抑制される。
【００２６】
ここで、半導体装置１０の製造方法では、Ｐ型シリコン基板１４にトレンチ２６を形成した後に、シリコン酸化膜１８、シリコン窒化膜２０に対しＰ型シリコン基板１４のエッチング選択性が高い等方性サイドエッチングを行うことで、底部１６Ａの中央部の属一部及び溝壁１６Ｂが庇部２８で覆われる。この状態から庇部２８の中央に開口する開口部２４からイオン注入を行うため、チャネルストッパ層１５はトレンチ１６の底部１６Ａに選択的に形成される。
【００２７】
すなわち、トレンチ１６の溝壁１６Ｂに不純物が注入されることが防止又は効果的に抑制される。
【００２８】
例えば、図３に示される比較例に係る製造方法では、図３（Ａ）に示される如くトレンチ１００の底部１００Ａ及び溝壁１００Ｂが、シリコン窒化膜２０及びシリコン酸化膜１８に形成された開口部１０２を通じて全体的に露出される工程を経る。このため、図３（Ｂ）に示される如く不純物イオンを注入した場合に、トレンチ１００の底部１００Ａにチャネルストッパ層１０４が形成されるだけでなく、溝壁１００Ｂにも不純物イオンが注入されてしまう。このことは、素子領域Ａｅ１に形成される高耐圧トランジスタの閾値や電流駆動力等の特性を変動させてしまう原因となる。
【００２９】
これに対して半導体装置１０では、上記の通りトレンチ形成工程、トレンチ拡大工程を経るため、庇部２８が溝壁１６Ｂを覆う状態でイオン注入工程が成される。このため、半導体装置１０では、上記した通り、トレンチ１６の溝壁１６Ｂに不純物が注入されることが防止又は効果的に抑制され、高耐圧トランジスタの特性変動が効果的に抑制される。すなわち、半導体装置１０の製造方法は、安定した特性の高耐圧トランジスタが素子領域Ａｅ１に形成されることに寄与する。
【００３０】
また、半導体装置１０では、チャネルストッパ層１５の形成範囲を制限するための厚肉の酸化シリコン膜を溝壁１６Ｂに形成する工程を経ることなく製造されるので、該厚肉の酸化シリコン膜の形成に伴い生じる応力の影響を受けることがない。換言すれば、厚肉の酸化シリコン膜の形成に伴い生じる応力について考慮する必要がない。
【００３１】
さらに、半導体装置１０では、チャネルストッパ層１５がトレンチ１６の底部１６Ａの中央部に選択的（セルフアラインによって）に形成されているため、図３に示す比較例と比較として、素子領域Ａｅ１に形成された高耐圧トランジスタとチャネルストッパ層１５との距離が長くなり、該高耐圧トランジスタの高耐圧を実現することに寄与する。
【００３２】
なお、上記した実施形態では、Ｎ型の高耐圧トランジスタが形成される例を示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、上記実施形態におけるＮ型、Ｐ型を入れ替えることによって、逆の導電型の高耐圧トランジスタが形成される構成（半導体装置）に本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０ 半導体装置
１２ 素子分離構造
１４ Ｐ型シリコン基板（半導体基板）
１５ チャネルストッパ層
１６ トレンチ（素子分離溝）
１８ シリコン酸化膜
２０ シリコン窒化膜
２２ レジストマスク
２６ トレンチ（素子分離溝）
３０ 熱酸化膜（シリコン酸化膜）
３２ ＮＳＧ（絶縁材料）
Ａｅ１・Ａｅ２     素子領域
Ａｓ 素子分離領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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